Protein-Small Molecule Interaction Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of the Ubiquitin/Adenosine Triphoshate Couple over Temperature Variation

doi:10.7503/cjcu20240382

Abstract

Abstract:

In this paper， protein-small molecule interaction electrospray ionization mass spectrometry（PSMI-ESI-MS） was used to study a model protein， ubiquitin（Ubi）， and one of the most important bioactive small molecules， adenosine triphosphate（ATP） system. At room temperature， the electrospray mass spectra of the Ubi/ATP couple at the concentration ratio of 1 μmol/L∶50 μmol/L mainly showed charge states at +5， +6， and +7， corresponding well with the charge of Ubi in native state. ATP mainly formed 1∶1 and 1∶2（molar ratio） complexes with +5 and +6 ubiquitin while complexes with +7 was much less abundant， indicating that ubiquitin in lower charge state has a stronger binding affinity for ATP. Analysis of Ubi/ATP mass spectra at different ratios showed that there was no significant difference in the binding state at the concentration dimension. However， there was a significant difference in the charge distribution of Ubi and Ubi-ATP complexes at temperature variation. The calculated binding affinity increased with increasing temperature， indicating that the interaction between Ubi and ATP was enhanced after unfolding. Furthermore， Gibbs free energy of folded and unfolded Ubi indicated that the presence of ATP increased the energy required for unfolding， thereby enhancing the stability of ubiquitin. In this study， multi-dimensional information such as stoichiometric ratio， affinity， and Gibbs free energy were obtained based on electrospray mass spectrometry analysis of ubiquitin and ATP in the temperature dimension. It provides a general strategy for subsequent studies on protein-small molecule interactions.

Key words: Electrospray ionization mass spectrometry, Ubiquitin, Adenosine triphosphate, Protein-small molecule interaction

CLC Number:

O657.6

TrendMD:

LIU Siying, SU Wen, ZHOU Zhongyan, YANG Zhiyu, PEI Huafu, HE Zhiru, WANG Na, YUE Lei. Protein-Small Molecule Interaction Electrospray Ionization Mass Spectrometry Study of the Ubiquitin/Adenosine Triphoshate Couple over Temperature Variation[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240382.

Figures/Tables 7

References 66

1	Chen F.， Gülbakan B.， Weidmann S.， Fagerer S. R.， Ibáñez A. J.， Zenobi R.， Mass Spectrom. Rev.， 2016， 35（1）， 48—70
2	Loo J. A.， Mass Spectrom. Rev.， 1997， 16（1）， 1—23
3	Bennett J. L.， Nguyen G. T. H.， Donald W. A.， Chem. Rev.， 2022， 122（8）， 7327—7385
4	Bhogaraju S.， Kalayil S.， Liu Y.， Bonn F.， Colby T.， Matic I.， Dikic I.， Cell， 2016， 167（6）， 1636—1649
5	Westheimer F. H.， Science， 1987， 235（4793）， 1173—1178
6	Lehninger A. L.， Nelson D. L.， Cox M. M.， Lehninger Principles of Biochemistry， New York， W. H. Freeman and Company， 2005
7	Zaboli M.， Saeidnia F.， Zaboli M.， Torkzadeh⁃Mahani M.， Process Biochem.， 2021， 101， 26—35
8	Naidu K. T.， Rao D. K.， Prabhu N. P.， J. Phys. Chem. B， 2020， 124（45）， 10077—10088
9	Arsiccio A.， McCarty J.， Pisano R.， Shea J. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（12）， 5722—5730
10	Liu W. W.， Zhu Y.， Fang Q.， Anal. Chem.， 2017， 89（12）， 6678—6685
11	Chen F.， Di H.， Wang Y.， Cao Q.， Xu B.， Zhang X.， Yang N.， Liu G.， Yang C. G.， Xu Y.， Jiang H.， Lian F.， Zhang N.， Li J.， Lan L.， Nat. Chem. Biol.， 2016， 12（3）， 174—179
12	Molina D. M.， Jafari R.， Ignatushchenko M.， Seki T.， Larsson E. A.， Dan C.， Sreekumar L.， Cao Y.， Nordlund P.， Science， 2013， 341（6141）， 84—87
13	Fujimoto K. J.， Inoue K.， J. Chem. Phys.， 2020， 153（4）， 045101
14	Ou X.， Lao Y.， Xu J.， Wutthinitikornkit Y.， Shi R.， Chen X.， Li J.， JACS Au， 2021， 1（10）， 1766—1777
15	Merlevede W.， Vandenheede J. R.， Goris J.， Yang S. D.， Curr. Top. Cell. Regul.， 1984， 23， 177—215
16	Apstein C. S.， In Diastolic Relaxation of the Heart： The Biology of Diastole in Health and Disease， 2 Ed.， Edited by Lorell B. H.， Grossman W.， Springer US， Boston， MA. 1994， 125—134
17	Song J.， Protein Sci.， 2021， 30（7）， 1277—1293
18	Kota D.， Prasad R.， Zhou H. X.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（2）， 1326—1336
19	Rickard M. M.， Luo H.， de Lio A.， Gruebele M.， Pogorelov T. V.， J. Phys. Chem. Lett.， 2022， 13（42）， 9809—9814
20	Eschweiler J. D.， Kerr R.， Rabuck⁃Gibbons J.， Ruotolo B. T.， Annu. Rev. Anal. Chem.， 2017， 10（1）， 25—44
21	Zhang T.， Lyu J.， Yang B.， Yun S. D.， Scott E.， Zhao M.， Laganowsky A.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 5946
22	Yen H. Y.， Jazayeri A.， Robinson C. V.， Pharmacol Rev.， 2023， 75（3）， 397—415
23	Le J.， Loo J. A.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2023， 34（12）， 2620—2624
24	Wen X.， Liu C.， Tovar K.， Curran P.， Richards M.， Agrawal S.， McLaren D. G.， J. Am. Chem. Soc.， 2024， 146（29）， 19792—19799
25	Zhao H. X.， Li Z.， Zhao M. Y.， Tian L.， Xiao Y. S.， Wang Z. H.， Yue H.， Xiu Y.， Chem. J. Chinese Universities， 2023， 44（4）， 20220576
	赵幻希，李卓，赵孟雅，田璐，肖禹圣，王震寰，越皓，修洋. 高等学校化学学报， 2023， 44（4）， 20220576
26	Huang L.， Wang J.， Jiang H.， Chen L.， Chen H.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 109896
27	Feng T.， Gao Y. L.， Hu D.， Yuan K. Y.， Gu S. Y.， Gu Y. H.， Yu S. Y.， Feng Y. Q.， Wang J.， Yuan B. F.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 35（8）， 109259
28	Blundell T. L.， Patel S.， Curr. Opin. Pharmacol.， 2004， 4， 490—496
29	Cala O.， Guilliere F.， Krimm I.， Anal. Bioanal. Chem.， 2014， 406， 943—956
30	Pellecchia M.， Bertini I.， Cowburn D.， Dalvit C.， Giralt E.， Jahnke W.， James T. L.， Homans S. W.， Kessler H.， Luchinat C.， Meyer B.， Oschkinat H.， Peng J.， Schwalbe H.， Siegal G.， Nat. Rev. Drug Discov.， 2008， 7（9）， 738—745
31	Erba E. B.， Zenobi R.， Annu. Rep. Prog. Chem. Sect. C： Phys. Chem.， 2011， 107， 199—228
32	Rathore D.， Faustino A.， Schiel J.， Pang E.， Boyne M.， Rogstad S.， Expert Rev. Proteomics， 2018， 15（5）， 431—449
33	Chowdhury S. K.， Katta V.， Chait B. T.， J. Am. Chem. Soc.， 1990， 112， 9012—9013
34	Ganem B.， Li Y. T.， Henion J. D.， J. Am. Chem. Soc.， 1991， 113， 6294—6296
35	Ganem B.， Li Y. T.， Henion J. D.， J. Am. Chem. Soc.， 1991， 113， 7818—7819
36	Loo R. R. O.， Goodlett D. R.， Smith R. D.， Loo J. A.， J. Am. Chem. Soc.， 1993， 11（5）， 4391—4392
37	Baca M.， Kent S. B. H.， J. Am. Chem. Soc.， 1992， 114（39）， 92—93
38	Vallejo D. D.， Rojas Ramírez C.， Parson K. F.， Han Y.， Gadkari V. V.， Ruotolo B. T.， Chem. Rev.， 2022， 122（8）， 7690—7719
39	Pruska A.， Mass Spectrometric Methods for Studying Thermodynamic Properties of Biomolecular Systems， ETH Zurich， Zurich， 2023
40	Laganowsky A.， Clemmer D. E.， Russell D. H.， Annu. Rev. Biophys.， 2022， 51， 63—77
41	Ibarra⁃Molero B.， Naganathan A. N.， Sanchez⁃Ruiz J. M.， Muñoz V.， Methods Enzymol， 2016， 567， 281—318
42	Mahran R.， Vello N.， Komulainen A.， Malakoutikhah M.， Härmä H.， Kopra K.， Sci. Rep.， 2023， 13（1）， 20066
43	Pruška A.， Marchand A.， Zenobi R.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2021， 60（28）， 15390—15398
44	Li G.， Zheng S.， Chen Y.， Hou Z.， Huang G.， Anal. Chem.， 2018， 90（13）， 7997—8001
45	Jordan J. S.， Williams E. R.， Anal. Chem.， 2022， 94（48）， 16894—16900
46	Marchand A.， Czar M. F.， Eggel E. N.， Kaeslin J.， Zenobi R.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 566
47	Pruška A.， Harrison J. A.， Granzhan A.， Marchand A.， Zenobi R.， Anal. Chem.， 2023， 95（38）， 14384—14391
48	Cong X.， Liu Y.， Liu W.， Liang X.， Russell D. H.， Laganowsky A.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（13）， 4346—4349
49	El⁃Baba T. J.， Woodall D. W.， Raab S. A.， Fuller D. R.， Laganowsky A.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（18）， 6306—6309
50	Raab S. A.， El⁃Baba T. J.， Woodall D. W.， Liu W.， Liu Y.， Baird Z.， Hales D. A.， Laganowsky A.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（41）， 17372—17383
51	El⁃Baba T. J.， Raab S. A.， Buckley R. P.， Brown C. J.， Lutomski C. A.， Henderson L. W.， Woodall D. W.， Shen J.， Trinidad J. C.， Niu H.， Jarrold M. F.， Russell D. H.， Laganowsky A.， Clemmer D. E.， Anal. Chem.， 2021， 93（24）， 8484—8492
52	Liu J.， Wang Y.， Wang X.， Qin W.， Li G.， Int. J. Mass Spectrom.， 2023， 494， 117151
53	Walker T. E.， Shirzadeh M.， Sun H. M.， McCabe J. W.， Roth A.， Moghadamchargari Z.， Clemmer D. E.， Laganowsky A.， Rye H.， Russell D. H.， J. Am. Chem. Soc.， 2022， 144（6）， 2667—2678
54	Su W.， Liu S.， Zhang Q.， Zhou Z.， Wang N.， Yue L.， Chin. Chem. Lett.， 2024， 110237
55	Wyttenbach T.， Bowers M. T.， J. Phys. Chem. B， 2011， 115（42）， 12266—12275
56	Reddy G.， Thirumalai D.， J. Phys. Chem. B， 2017， 121（5）， 995—1009
57	Benesch J. L.， Sobott F.， Robinson C. V.， Anal. Chem.， 2003， 75（10）， 2208—2214
58	Marchand A.， Rosu F.， Zenobi R.， Gabelica V.， J. Am. Chem. Soc.， 2018， 140（39）， 12553—12565
59	Wintrode P. L.， Makhatadze G. I.， Privalov P. L.， Proteins， 1994， 18（3）， 246—253
60	El⁃Baba T. J.， Fuller D. R.， Woodall D. W.， Raab S. A.， Conant C. R.， Dilger J. M.， Toker Y.， Williams E. R.， Russell D. H.， Clemmer D. E.， Chem. Commun.， 2018， 54（26）， 3270—3273
61	Wan C.， Cui M.， Song F.， Liu Z.， Liu S.， Int. J. Mass Spectrom.， 2009， 283（1—3）， 48—55
62	Mazzitelli C. L.， Chu Y.， Reczek J. J.， Iverson B. L.， Brodbelt J. S.， J. Am. Soc. Mass Spectrom.， 2007， 18（2）， 311—321
63	Nishizawa M.， Walinda E.， Morimoto D.， Kohn B.， Scheler U.， Shirakawa M.， Sugase K.， J. Am. Chem. Soc.， 2021， 143（31）， 11982—11993
64	LiCata V. J.， Liu C. C.， Methods Enzymol.， 2011， 488， 219—238
65	Blanc J. L.， Beuchemin D.， Siu K.， Blanc L.， Guevremont R.， Berman S.， Org. Mass Spectrom.， 1991， 26（10）， 831—839
66	Nandi T.， Desai A.， Ainavarapu S. R. K.， Phys. Chem.， 2020， 22（40）， 23158—23168

Temperature	Binding affinity
Temperature	+5	+6	+7
25	0.25409	0.14033	0.10602
30	0.28473	0.16355	0.12327
35	0.30595	0.17651	0.13735
40	0.33775	0.20401	0.15042
45	0.33963	0.20024	0.15920
50	0.34574	0.21277	0.15783
55	0.36097	0.22623	0.17905
60	0.37048	0.23116	0.18121
65	0.38075	0.24318	0.19477
70	0.37893	0.24403	0.19047
75	0.39394	0.25536	0.20730
80	0.41139	0.27629	0.22023
85	0.41140	0.27295	0.22110
90	0.41321	0.28789	0.21197
95	0.40912	0.28124	0.22615

Temperature	Binding affinity
Temperature	+5	+6	+7
25	0.25409	0.14033	0.10602
30	0.28473	0.16355	0.12327
35	0.30595	0.17651	0.13735
40	0.33775	0.20401	0.15042
45	0.33963	0.20024	0.15920
50	0.34574	0.21277	0.15783
55	0.36097	0.22623	0.17905
60	0.37048	0.23116	0.18121
65	0.38075	0.24318	0.19477
70	0.37893	0.24403	0.19047
75	0.39394	0.25536	0.20730
80	0.41139	0.27629	0.22023
85	0.41140	0.27295	0.22110
90	0.41321	0.28789	0.21197
95	0.40912	0.28124	0.22615

[1]	YAN Yongjie, GAO Wenbo, LU Chenhui, YANG Cheng, XU Shuting. Detection of Coffee Polyphenols in Nanoliter Cerebrospinal Fluid by Microextraction Coupled to Nanoelectrospray Ionization Mass Spectrometry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(11): 20240327.
[2]	ZHOU Min, SHI Yingying, LI Shuqi, ZHANG Kailin, CUI Yongliang, ZHANG Sen, ZHANG Xianyi, KONG Xianglei. 193 nm UV Photodissociation Mass Spectrometry for Ubiquitin Ions with Different Charge States [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2436.
[3]	DENG Jiewei, YANG Yunyun, LIN Li, LUAN Tiangang. Rapid Classification of Daphniamagna and Daphnia pulex by Surface-coated Probe Nanoelectrospray Ionization Mass Spectrometry Lipidomics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2011.
[4]	LI Xiaoqian, ZHANG Hua, LU Haijian, LIU Chang, LIU Qinglong, MA Xiayu, FANG Yuanping, LIANG Dapeng. Mechanism of Photocatalytic Degradation of Rhodamine B by TiO₂ Nanowire Array with Internal Extraction Electrospray Ionization Mass Spectrometry [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(9): 2003.
[5]	WANG Xiaoqun, HUANG Guangming. Investigation of Lipid Distributions by Trifluoroacetic Acid-enhanced Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry Imaging [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(12): 2673.
[6]	LI Cheng,WANG Chengjian,JIN Wanjun,HAN Jianli,YANG Meifang,GAO Xi,HUANG Linjuan,WANG Zhongfu. Mass Spectrometric Analysis of N-Glycans of Glycoprotein Separated by SDS-PAGE Gel from Ginkgo Seed^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(1): 69.
[7]	WU Fangling,CHU Yanqiu,CHEN Xin,WEI Wanghui,DING Chuanfan. Critical Factors Affecting Noncovalent Interaction Between Pentapeptides Explored by Electrospray Ionization Mass Spectrometry^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2018, 39(9): 1927.
[8]	HUANG Yandong, WU Ruofei, CHU Yanqiu, DING Chuanfan. Effect of Side Chain of α-Amino Acids and Esters on the Stability Constants for β-Cyclodextrin Complexes^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(5): 743.
[9]	KE Mufang, HAN Jing, ZHU Tenggao, LIU Wenjie, ZHANG Hua, KOU Wei, LIANG Dapeng. Direct and Rapid Analysis of Avocado Using Internal Extractive Electrospray Ionization Mass Spectrometry^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(5): 738.
[10]	PENG Yifang, WANG Chengjian, WANG Jingjing, LI Lingmei, JIN Wanjun, QIANG Shan, SHI Hongdan, ZHANG Ying, HUANG Linjuan, WANG Zhongfu. Analysis of Antigenic Determinant Glycans of Peanut Allergy Glycoprotein Ara h1 by Mass Spectrometry^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(9): 1622.
[11]	LI Penghui, DENG Lingli, LUO Jiao, LI Wei, NING Jing, DING Jianhua, WU Xiaoping. EESI-MS Detection and Statistical Analysis of Multi-batch of Exhaled Breath Metabolomics Data of Liver Failure Patients [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(4): 626.
[12]	WU Ruofei, CHU Yanqiu, XU Chongsheng, LIU Zhipan, DING Chuanfan. Fragmentation Reaction of Complexes of Alkali Metal Cations with Tripeptides in Gas Phase^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2016, 37(12): 2150.
[13]	CHEN Huanhuan, ZHAO Xia, LUAN Xiaohong, YU Guangli. Application of Electrospray Tandem Mass Spectrometry in Sequence Analysis of Oligosaccharides^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(1): 1.
[14]	DAI Yulin, YU Shanshan, ZHANG Ying, HAO Ying, ZHONG Wei, YUE Hao, LIU Shuying. Studies on the Isoflavone in Extract of the Flower of Pueraria Lobata by RRLC-Q-TOF MS/MS^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(7): 1396.
[15]	ZHAO Qiuling, LIU Lingling, YANG Lina. Novel Aptamer-based Enzyme-linked Assay for the Detection of ATP [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(6): 1161.